Что образуется на месте погасшей звезды: черные дыры и не только

Содержание

какие тайны хранит Адмиралтейская слобода Казани

Это не первая наша прогулка вместе с нашим экскурсоводом Алмазом Гараевым, мы уже рассказывали вам про доходный дом купца Соболева, который стал жилищем для бездомных, а также о здании, которое скрывает огромный баннер в центре Казани, и истории Александровского и Чернояровского пассажей.

Пять топоров, создавшие целый район

Адмиралтейская слобода одна из самых значимых слобод Казани. Алмаз Гараев называет её «колыбелью города» потому что именно эта слобода сделала очень много для развития столицы Татарстана. По словам историка, ученого и археолога Альфреда Халикова, без Адмиралтейской слободы не было бы и Казани.

«До создания адмиралтейства и возникновения Адмиралтейской слободы здесь находилась село Бишбалта, что в переводе означает пять топоров. По легенде, после образования села, жители захотели заняться плотничеством, но на все село нашлось якобы только пять топоров. А по второй теории село названо в честь количества минаретов, ведь на мечетях их обычно пять», — поделился наш спутник.

Он отметил, что село Бишбалта бурно развивалось, здесь всегда работали плотники и корабельщики, место было выбрано не случайно — тут было старое русло Казанки, выход в Волгу и бухта, куда могли приплывать большие баржи. Этот район был богат лесами.

«Еще в 1710 году из села Бишбалта были отправлены 10 больших военных кораблей для Азовского флота, чуть позже — в 1718 году, в Казань приезжает Пётр I и именно по его указу здесь образуется адмиралтейство для постройки кораблей, которые были предназначены для его флота. Все здания, которые сейчас здесь находятся, назывались „весенними пристанями“, и вся эта территория была судостроительной верфью для флота Петра», — рассказывает сталкер.

Адмиралтейство было окружено глубоким рвом с солёной водой, в ней вымачивались доски и бревна для придания им формы — из них и строили корабли. Ров был, как бы сказали сейчас, противопожарным мерой, а ещё — защищал территорию от набегов разбойников, коих здесь было много.

«В первый год на этой территории была построена земская школа, мастерские и небольшие помещения для жилья. Здесь работало много людей, адмиралтейство развивалось бурными темпами, за рвом, который защищал адмиралтейство, также развивалась и сама слобода: строились школы, казармы и жилые бараки. Адмиралтейская слобода развивалась за счет приезжих людей — тут работали в основном татары, марийцы и чуваши. Некоторых людей сгоняли сюда насильно, но большинство из них, конечно, приезжали сюда сами на сезонные заработки и тут же оставались», — отмечает Гараев.

Корабли спускались на воду один раз в год в начале мая, во время весеннего половодья, как правило, спускали по 10-15 кораблей.

Он отметил, что за время существования адмиралтейства здесь было построено около 400 кораблей, самые большие военные корабли были высотой с пятиэтажный дом. В 1722 году Петр I второй раз приехал в Казань с инспекцией адмиралтейства и остался доволен увиденным. Забрав военные корабли, он с войском численностью 175 тыс. человек отправился в свой знаменитый Персидский поход воевать с шахом Гусейном.

«В 1829 по ходатайству генерал-майора Орловского адмиралтейство в Казани было упразднено и перевезено в Астрахань, поближе к Каспийскому морю. Это решение было обусловлено экономически, а также транспортными проблемами. После упразднения адмиралтейства все-таки в слободе продолжали делать помповые насосы для откачки воды с судов, а потом это судостроение было перевезено в Зеленодольск», — поделился наш собеседник.

Первый трамвай и сад, который стал «Сантехприбором»

2 октября 1875 года в Казани по двум маршрутам был пущен первый конный трамвай. По первому маршруту Толкучий рынок — Дальнее Устье (район современной улицы Чернышевского — прим. Ред.) трамвай отправлялся от лавок Курманаева (нынешний ресторан More& More — прим. Ред). А второй маршрут был короче: Толкучий рынок — Рыбнорядская площадь.

Алмаз показывает на здание с зелеными воротами, где располагалось трамвайное депо № 1, построенное в 1875 году. Спустя два года его заведующим становится финн Гюстаф Тальквист. Помимо трамвайного депо Тальквист отвечал за благоустройство города. Он был модником и пижоном, говорит Гараев, а кроме того, прожжённым коммерсантом и зарабатывал буквально на всем.

«На месте современного завода „Сантехприбор“ раньше находился сад „Тиволи“, который был сделан именно Тальквистом. Внутри сада были кустарники, сады, деревья, было небольшое озеро, и вся знать города собиралась именно там. Сад просуществовал до 1930-х годов — момента создания „Сантехприбора“. Трамвайное депо просуществовало продолжительное время, еще в 2000-х годах здесь была ремонтная мастерская для большегрузов, но уже здание уже заброшено уже 6-10 лет», — вспоминает он.

Там же у бывшего депо находится и знаменитый памятник лошадке Петрушке, которая, по легенде, и тащила трамвай, когда он только появился. По словам нашего гида, он не совсем верный — в повозку запрягались две лошадки, а не одна, а трамвайный вагон был двухэтажным. Подлинный трамвайный вагон можно увидеть около здания «Метроэлектротранса». Вагончик для памятника в Адмиралтейской слободе был куплен в Санкт-Петербурге и поставлен к 300-летию слободы.

Гараев также подметил, что ни для кого не секрет то, что Казань после войны застраивалась немецкими военнопленными, как современная улица Адмиралтейская в 1927-29 году. Тут в основном преобладает в архитектурном стиле неоконструктивизма.

История КВЗ и тайна, которую вы не знали

Мы подошли к старым корпусам Казанского вертолетного завода, который имеет богатую и неоднозначную историю. Здесь продолжались «весенние пристани» и судостроительные верфи для Петра I.

Алмаз рассказал, что в 1925 году здесь пытались построить речной порт, но сделать этого не удалось. В 1929 году из Чувашии сюда был эвакуирован завод обозных деталей, который изготавливал тачанки, колеса и для нужд Красной армии.

Гараев рассказал интересную историю, о которой, возможно, не знают даже большинство коренных казанцев. При строительстве этого завода внутри него осталась трамвайная дорога. В 1935 году завод обозных деталей начал выпускать детали для самолетов: колеса, небольшие крылья, лыжи и лонжероны. А в 1942 году сюда был эвакуирован Авиационный завод, вместе с ним из Ленинграда были эвакуированы подростки 14-16 лет. Один из них вспоминал, что эшелон прибыл ночью, а перед заводчанами и эвакуированными была поставлена задача за сутки разгрузить его. И они это сделали.

«Им пришлось ломать окна и стены завода, потому что оборудование не влезало в ворота завода. За сутки вагоны были разгружены, и уже через три дня начался выпуск первых самолетов. Здесь было выпущено около 11 тыс. бомбардировщиков По-2», — отметил экскурсовод.

По словам Алмаза, сейчас брошенная территория завода выкуплена строительной компанией «Унистрой», ведётся демонтаж старых корпусов и цехов.

Дом с погасшей звездой

Дом, на фасаде которого красуется красная звезда, на улице Адмиралтейской постоянно становится одной из точек экскурсий по слободе, а также героем множества фото любителей старины. Алмаз отмечает, что дом в конструктивистском стиле был построен после эвакуации сюда завода обозных деталей в 1929 году.

Дом находится в крайне аварийном состоянии, но люди продолжают здесь жить, говорит Алмаз.

«В этот дом селились работники КВЗ, потому что им было обещано новое жилье, но, когда сменилось руководство предприятия, новое сказало, что ничего этим людям не обещало», — поделился Гараев.

В доме люди живут на м этаже, а 1-й, 2-й и 3-й этажи заброшены и частично распроданы. В доме нет удобств, жильцам не разрешили «врезаться» в канализацию 3 этажа, и они вынуждены ходить в туалет на улицу.

Завод «Сантехприбор»: от красивого сада к жилой застройке

Далее мы отправились к «любимцу и первенцу» Алмаза — заводу «Сантехприбор», а точнее все, что от него осталось. Экскурсовод называет его так, потому что свои вылазки по «заброшкам» он начал именно с него.

«Этот завод имеет богатую историю, он был градоформирующим объектом и связан был с именем купца Ивана Ивановича Алафузова, который в возрасте 19 лет приехал в 1856 году в Казань и обосновал свою торгово-промышленную империю под названием Льнокомбинат. Он до сих пор стоит на улице Гладилова, 55. Там у него были ткацкие льноперерабатывающие цеха, а здесь же были швейные мастерские в 19 веке», — говорит Гараев.

Приехал Алафузов именно в Адмиралтейскую слободу и поселился неподалеку от территории «Сантехприбора» потому что здесь жил друг его отца Сергей Александров, именитый купец-миллионер, который сколотил состояние на продаже чая. Именно Александров взял под свое крыло молодого Алафузова, и именно по совету друга семьи Иван начал скупать земли, фабрики и заводы у других купцов.

«В 19 веке здесь находились швейные цеха, потому что в 1865 году Иван Алафузов выпустил партию высококачественного брезента, чем покорил военное ведомство и получил крупный военный заказ. Изначально „Сантехприбор“ назывался Казанский механический завод, а свое привычное название он получил лишь в 1991 году», — добавил сталкер.

После развала Советского союза и начались злоключения завода, и в начале 2000-х годов предприятие окончательно признали банкротом, у него накопились многомиллионные долги. Недавно территория завода была выкуплена строительной фирмой из Марий Эл, который намеревается построить здесь жилой комплекс. На площадке, где находились корпуса и цеха, новый собственник снёс аварийные здания и обнёс территорию забором.

«Фасадная часть завода „Сантехприбор“ исторически важна, потому что помимо швейных мастерских здесь находилась придомовая церковь, и этот фасад обязали сохранить, а как это будет с учетом строительства жилого комплекса — непонятно. В интернете уже есть проект нового ЖК, согласно ему там останется только труба и фасадная часть», — рассказывает наш собеседник.

Еще четыре года назад на территорию завода был свободный доступ, здесь работали мародёры, а Алмаз до того, как здесь произошло обрушение, водил сюда экскурсии по 6-10 человек.

«Под одним из корпусов находится бомбоубежище, которое еще 1995 году было образцовым, туда возили учащихся училищ и институтов с военной кафедры, чтобы они наглядно могли ознакомиться с обустройством бомбоубежища. Буквально за полгода после закрытия завода „Сантехприбор“ это бомбоубежище превратилось в свалку, а сейчас там творится полнейших хаос, были пожары», — отметил Гараев.

«Новый владелец земли первым делом снёс неважные аварийные корпуса и вторым делом закрыл доступ сюда, за что ему огромное спасибо. Несмотря на то, что этот объект привлекал огромное внимание моих слушателей, да и я его не смог весь исследовать, я благодарен владельцу, потому что корпуса представляют опасность для людей. 20 лет этот завод безбожно пилили на металл, и все несущие колонны были спилены, что и послужило причиной обрушения одной из частей завода», — уверен Алмаз.

Что будет с самой Адмиралтейской слободой, пока остается загадкой. Кто-то говорит, что там действительно появится элитное жилье, а кто-то говорит, что власти запланировали кардинально изменить депрессивную сейчас городскую территорию. «Казанские ведомости» смогли узнать планы на развитие района — читайте о них в ближайшие дни на нашем сайте.

Нескучная темная материя — Троицкий вариант — Наука

О разных гипотезах происхождения темной материи, о том, какие гипотезы уже можно отвергнуть, а какие кажутся перспективными, главред нашей газеты Борис Штерн поговорил с астрофизиком академиком РАН Игорем Ткачевым.

— Мой первый вопрос — о современном статусе темной материи. Мы уверены, что она реальна. Сохранились ли до сих пор исследователи, которые в своих статьях пытаются заменить темную энергию модификацией физических законов? Например, модифицированной ньютоновской динамикой…

— Конечно, такие есть. 2$, откуда скорость тела, вращающегося по орбите вокруг этого тела: $v=\sqrt{GM/r}$.

В Солнечной системе скорость именно так и падает. Когда мы смотрим на галактики, мы можем измерить скорости пробных тел, а именно скорость газа, который вращается в галактике, как функцию радиуса. Для орбитального вращения в галактике скорость сначала растет с радиусом, поскольку растет масса вещества внутри радиуса. Потом, за пределами галактики, скорость должна падать как $1/\sqrt{r}$, но здесь этот закон нарушается — получается очень красивая зависимость (см. рис. 1) скорости вращения от радиуса. Причем сама галактика, высвеченная звездами, имеет на рисунке довольно малый размер.

Рис. 1. Зависимость скорости орбитального вращения газа от радиуса орбиты

Получается довольно интересная зависимость: чтобы скорость оставалась постоянной, масса тяготеющего вещества, заключенная внутри радиуса r, на каком-то интервале уже вне галактики пропорциональна этому радиусу: m ~ r, причем звезд там уже нет. Это лишь один из аргументов в пользу существование темной материи; если их все перечислять, то у меня не хватит пальцев на руке.

На самом деле еще в 1980-х годах придумали, как объяснить именно этот феномен без темной материи. Может быть, надо модифицировать выражение для центростремительного ускорения? Сейчас это называется «модифицированная гравитация», изначально это называлось «модифицированной ньютоновской динамикой» (МОНД). Скоро стало понятно, что модифицированная динамика не сработает, поскольку не будут выполняться законы сохранения импульса, но для простого варианта модифицированной гравитации сохранилось название МОНД. Она в принципе работает на галактических масштабах, но, как я уже сказал выше, аргументов [за темную материю] гораздо больше, и в скоплениях галактик МОНД уже не работает — там приходится ввести темную материю и добавлять ее к модифицированной гравитации, что некрасиво. Кроме того, модифицированная гравитация — нерелятивистская теория, а требуется релятивистское обобщение — нужно модифицировать общую теорию относительности. Ученые интенсивно работают, но теории, которая всё бы объясняла и заменила бы теорию Эйнштейна, пока нет, хотя исключить существование такой теории нельзя.

— А как такая теория объяснила бы космологию?

— Мы поймем, как это было бы в космологии, когда найдем, чем заменить уравнения Эйнштейна. А пока один из аргументов такой: если бы не было темной материи, галактики не успели бы образоваться. Эйнштейну было хорошо: у него в руках был принцип эквивалентности, он знал, как модифицировать законы Ньютона, — тогда однозначная теория гравитации появляется на кончике пера. Для модификации теории Эйнштейна такой путеводной звезды уже нет: слишком много вариантов, и ни один не работает.

— Но мне кажется, слишком много зацепок, свидетельствующих именно о темной материи.

— Да, зацепок по наблюдательным данным много, повторюсь, что пальцев не хватит для независимых свидетельств, которые надо было бы объяснить, если отбросить идею темной материи. Напротив, она объясняет их все, ну, почти все — есть нестыковки, но они на уровне ошибок измерений. Другое дело, что, сколько бы аргументов ни приводилось в пользу теории, ее нельзя доказать. Можно только опровергнуть — для этого достаточно одного факта, который бы не укладывался в теорию.

— В принципе динамику галактик и скоплений можно объяснить протокирпичами: летают себе протокирпичи или астероиды в пространстве, они же не светятся. С этого ведь и начали.

— Да, с этого и начали, для объяснения кривых вращения галактик этого достаточно. Еще погасшие звезды, черные дыры. Такие гипотезы были популярны до 1980-х.

— Так почему все-таки протокирпичей недостаточно?

— Если бы темная материя была протокирпичами, тогда галактики не успели бы образоваться. Вселенная на ранних стадиях была заполнена ионизированной плазмой, причем протокирпичи входили в ее состав, и эта плазма мешала первоначальным неоднородностям сформироваться в галактики. А неоднородности из электрически нейтральной темной материи могут начать развиваться раньше. Из материала протокирпичей не образуешь структур.

— А что может быть темной материей? Если частицы, то каких масс? Что-то еще?

— Интересных вариантов сейчас не так уж много. Это могут быть новые частицы — известные частицы не годятся — либо первичные черные дыры, хотя и это непросто: в простых теориях инфляционной Вселенной они не образуются. Да и широкий интервал масс первичных черных дыр исключен наблюдениями.

— Насколько я помню, для того чтобы первичные черные дыры составляли темную материю, их массы должны быть как у астероидов и маленьких планет. Иначе они видны в микролинзировании. А меньшие по массе испарятся.

— Микролинзирование — это уже старая история; сейчас основной источник информации — гравитационные волны. Гипотеза, что черные дыры — это темная материя, не исключена, но сейчас столбовая дорога по объяснению существования темной материи — новые частицы.

— Какой массы они могут быть?

— Любой. Больше, чем 10^–24 эВ, ну или, наверно, меньше планковской, если это частицы.

— 10^–24 — это ограничение из-за огромной комптоновской длины волны? Частица не помещается в галактике?

— Да, частица не помещается в карликовую галактику, когда ее комптоновская длина волны — килопарсек.

— Теперь недоумение по поводу легких частиц. Они формировались в молодой Вселенной и по идее были в термодинамическом равновесии с другими частицами, с теми же фотонами. Значит, во времена формирования галактик они должны были иметь энергию в доли электронвольта — это скорей релятивистская, чем холодная материя.

— Так и думали на ранних стадиях развития теории. Но такое заключение справедливо, если частицы темной материи имеют достаточно сильное взаимодействие. Но это предположение не имеет обоснований.

— Ну нейтрино же рассматривались как вариант темной материи. Они же взаимодействуют слабо, но термализовались.

— Вопрос, насколько сильно, насколько слабо.

— То есть предполагается, что легкие частицы темной материи взаимодействуют гораздо слабей, чем нейтрино?

— В общем, да. Самый хороший пример — аксионы. Они очень легкие: самый предпочтительный порядок их масс — 10^–5 эВ. Есть всякие обобщения, возникающие в теории струн, которые дают массу до 10^–24 эВ. Эти аксионы образуются нетермальным механизмом, он очень простой. Чтобы легкие частицы создали достаточно глубокую гравитационную яму, этих частиц должно быть очень много. Если частицы — фермионы, то такой вариант отпадает: из легких фермионов этого сделать нельзя. А если это бозоны — из них можно сделать классическое поле, как электромагнитное. И уже надо рассуждать не в терминах частиц, а в терминах поля.

Рис. 2. При температуре ниже, чем масштаб квантовой хронодинамики, потенциал поля становится параболическим

Есть несколько способов возбудить это поле в ранней Вселенной. Самый простой выглядит так. У любого поля есть потенциал. У аксионного поля он зависит от температуры. На ранних этапах он был нулевым, а само поле генерируется. Так устроена квантовая теория вкупе с гравитацией. Утрируя: если что-то может генерироваться, то оно и появляется. При температуре ниже, чем масштаб квантовой хронодинамики, потенциал становится параболическим, как на рис. 2, и поле оказывается на «склоне» потенциала и начинает скатываться к минимуму, где начинает осциллировать. Эти осцилляции — не что иное, как колебания классического поля, где очень много частиц в одном состоянии с импульсом близким к нулю. А если импульс мал, значит, они холодные, несмотря на то что очень легкие, причем не успевают термализоваться из-за того, что очень слабо взаимодействуют.

— Отлично. То есть аксионы, несмотря на свою малую массу, остаются холодной темной материей?

— Даже ультрахолодной.

— Но почему они должны быть связаны именно с хромодинамикой?

— В принципе мы можем взять частицу любой массы с потолка и объяснить с ее помощью существование темной материи. Но это неинтересно. Интересно, когда такая частица предсказывается из каких-то других соображений, а затем оказывается хорошим кандидатом на роль темной материи.

Аксион как раз такой. Его ввели в теорию из следующих соображений. Известно, что в сильных взаимодействиях четность почему-то не нарушается, но если посмотреть на лагранжиан теории, то это очень странно — вообще говоря, она должна нарушаться.

Поэтому придумали такую модель, в которой нарушение четности компенсировано аксионным полем. Как только поле скатывается в ноль, нарушение четности в сильных взаимодействиях исчезает. Это очень красиво. Сначала, когда ввели эту теорию, думали, что масса аксиона —порядка характерного масштаба хромодинамики, примерно как у пи-мезона. Но очень быстро стало понятно, что если аксионы столь тяжелы, то и взаимодействуют сильно. Сразу поставили эксперименты на ускорителях и нашли, что таких тяжелых аксионов быть не может, что аксион должен быть легче 1 эВ. Тогда они взаимодействуют очень слабо, что не мешает им решать проблему сохранения четности в сильных взаимодействиях. Вариант 10^–5 эВ прекрасно решает все проблемы.

— Значит, то, что мы ищем в первую очередь, это холодная темная материя? Но есть же еще вариант теплой.

— Есть теплая, есть горячая, хотя варианты с горячей темной материей уже закрыты. Характерные скорости в галактике — 10^–3 от скорости света. Квадрат этой скорости примерно равен гравитационному потенциалу ямы. При большей скорости, как у горячих частиц, галактики из них просто не образуются, а частицы разлетаются.

— Правильно ли я понимаю, что на роль холодной темной материи годятся и аксионы, и WIMP-ы (ВИМП, WIMP — Weakly Interacting Massive Particle — гипотетическая слабовзаимодействующая массивная частица. — Ред.), а нейтрино не годятся?

— Неправильно. Нейтрино тоже подходят.

— Но почему? Масса у них маленькая, энергия достаточно большая, как у реликтовых фотонов.

— Как я уже сказал, интересны теории, в которых кандидаты на роль темной материи возникают естественно. Из немногого: WIMP-ы, естественно возникающие в теориях суперсимметрии; аксионы, решающие проблему отсутствия СР-инвариантности в сильных взаимодействиях, ну и нейтрино.

— Каким образом нейтрино?

— Слабые взаимодействия нарушают пространственную четность. В стандартной модели есть левые и правые частицы — частица как бы вращается. Если она вращается влево (против часовой стрелки) относительно направления своего движения, то это левая частица, если наоборот — правая. При отражении в зеркале левая частица становится правой. Если для всех частиц есть равноправные партнеры при зеркальном отражении, то пространственная четность нарушаться не будет. Поскольку четность нарушается, то Лев Ландау предложил самый простой вариант: «А правых нейтрино нет». Про другие частицы — кварки, электроны — так сказать нельзя из-за электрического заряда, а про нейтрино — можно. Это странно, поскольку, если бы нейтрино обладало когнитивными способностями и посмотрело на себя в зеркало, оно бы не увидело своего отражения. При этом нейтрино естественным образом безмассовые — так и есть в Стандартной модели. Потом из экспериментов стало понятно, что у нейтрино масса есть, за ее вычисление Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и Артуру Макдональду (Arthur B. McDonald) дали Нобелевскую премию в 2015 году.

Самый простой способ ввести массу нейтрино — добавить правое нейтрино. В этом смысле восстанавливается равноправие с кварками и другими лептонами. Но когда частица нейтральная, вовсе не обязательно, чтобы массы левой и правой частицы совпадали, как это имеет место для заряженных электронов. Добавляя правые частицы, мы можем сказать, что масса у них другая, какая — не знаем. В этом случае если левое нейтрино посмотрит на себя в зеркало, то оно увидит нечто, но совсем другое, какого-то монстра, например, гораздо тяжелее себя. Четность нарушена, но не так, как у Ландау. И если эта правая частица будет тяжелее 1 кэВ, то она годится на роль темной материи, но совсем тяжелые ГэВ’ы — МэВ’ы не подходят: они будут распадаться. А из легких фермионов темную материю не сделаешь, поскольку из-за принципа Паули много их не посадишь в потенциальную яму. Поэтому левые нейтрино вклада в темную материю не дают, а правые могут дать, и это очень естественный вариант, который сразу решает две проблемы: массы нейтрино и темной материи.

— Еще раз: какова минимальная масса частиц темной материи, чтобы они образовывали зародыши галактик?

— Примерно больше, чем 100 электронвольт.

— Это для больших галактик, типа нашей?

— Это ограничение вытекает из карликовых галактик.

— Есть термин «теплая темная материя». К чему он относится? В чем разница между холодной и теплой?

— Как мы уже говорили, горячая совсем не подходит для наполнения гравитационных ям, холодная их наполняет, а теплая — промежуточный вариант. Всё зависит от размера гравитационной ямы. Скопления галактик можно заполнить даже горячей темной материей; холодной — образования любого размера; теплая — когда не заполняются ямы гравитационного потенциала самых маленьких масштабов. Если рисовать распределение массы темной материи по радиусу, то для больших галактик плотность к центру растет, становясь бесконечной при конечной массе (это называется «касп»). А если изначальные скорости частиц достаточно большие, то к центру плотность выходит на константу (рис. 3).

Рис. 3. Распределение плотности темной материи в зависимости от радиуса. Если изначальные скорости частиц достаточно большие, то к центру ее плотность выходит на константу

И мы наблюдаем, что плотность темной материи в карликовых галактиках действительно выходит на константу. Можно ли объяснить это в рамках холодной темной материи? Да, может быть, мы плохо понимаем динамику образования галактик, поведение барионного вещества. Но один из вариантов — предположить, что темная материя на самом деле теплая, и она размазывает вещество на малых масштабах, и каспы не образуются. Тогда масса частиц темной материи — от 1 кэВ до 10 кэВ.

— Возражение. Точнее, не возражение, а опасение. Возьмем массу частиц меньше 1 кэВ.

— Давай меньше кэВа не будем.

— Хорошо, возьмем 2 кэВ. Что будет с потенциальной ямой в миллион солнечных масс?

— Хочешь получить шаровые скопления?

— Да, и не только шаровые скопления, но и первые звезды, которые получились из комков массой 105–106 M_ʘ. Первые звезды ведь очень нужны для объяснения ранней Вселенной, для объяснения ранних тяжелых квазаров. Наверное, 2–3 кэВ слишком мало для роста таких ям?

— Граница, когда все эти проблемы исчезают, — около 7 кэВ. Хотя это еще не устоявшаяся оценка, граница расплывчатая, и ее надо уточнять.

— А как темная материя распределена в пространстве: в нашей Солнечной системе?

— Те частицы, которые летают в Галактике, просто пролетают ее насквозь; у них скорость 10^–3 скорости света, что больше третьей космической скорости. Частица может быть захвачена, только если она взаимодействует и теряет энергию. Такие модели тоже есть, хотя там свои проблемы. Частица пролетает через Солнце и в нем начинает «тереться» — терять свою энергию. Тогда она может в нем застрять, или остаться в Солнечной системе, или будет много раз пролетать через Солнце и в конце концов в нем застрянет.

Такое происходит в модели WIMP-ов, сколько-то их накапливается в Солнце. Их в принципе можно зарегистрировать: они, хоть и слабо, взаимодействуют и в конце концов распадаются, например, на нейтрино. Можно искать какой-то аномальный нейтринный сигнал из центра Солнца от распада WIMP-ов. Но чтобы они меняли гравитационный потенциал в Солнечной системе — этого не видно даже в прецизионных измерениях координат «Пионеров» и других аппаратов. Никаких поправок к гравитационному потенциалу Солнца и планет для расчета траекторий не требуется. Да и теоретически «нормальная» темная материя не должна накапливаться в Солнечной системе.

— В свое время якобы была обнаружена гамма-линия в районе 100 ГэВ от центра Галактики, которую приписывали распаду темной материи. Вскоре эта линия «рассосалась», но возможно ли в принципе, что из центра Галактики будет обнаружен сигнал от распада WIMP-ов?

— Возможно. Есть два способа поиска темной материи: прямые лабораторные поиски (это самый надежный метод) и косвенные астрофизические поиски. Например, стерильные (правые) нейтрино распадаются на нейтрино и рентгеновский квант — тогда материя не совсем темная, она будет чуть светиться. Такую рентгеновскую линию ищут, и отсюда следует самое сильное ограничение на этот вид темной материи. И WIMP-ы могут распадаться, но там будет уже не гамма-линия, а бампик. Ищут и даже что-то находят, но это очень трудно отделить от разных астрофизических эффектов: жизнь в космосе бурлит, там много пульсаров, сталкивающихся ударных волн. Как правило, находки «сигналов» от темной материи в конце концов объясняются астрофизическими механизмами.

— Как ищется темная материя в лаборатории? Какие существуют самые продвинутые эксперименты?

— Давай остановимся на тех кандидатах, которые заодно решают некоторые проблемы физики элементарных частиц. WIMP-ы отождествляются с тяжелыми (100 ГэВ — 1 ТэВ) суперсимметричными частицами. Но их не нашли на Большом адронном коллайдере, поэтому они стали менее популярными. WIMP-ы, хоть и слабо, должны взаимодействовать с веществом, поэтому их можно зарегистрировать в большом детекторе: пролетая через детектор (либо жидкоаргоновый, либо кристаллический), частица передает часть своей энергии атомам — возникает либо свечение частиц отдачи, либо звуковые возбуждения, фононы. Со стерильными нейтрино это уже не сработает, потому что они легкие; с аксионами — тем более.

Для аксионов метод таков. Он — близнец π⁰ (пи-ноль мезона) и распадается так же — на два фотона. В квантовой теории поля всегда можно получить новый процесс, заменяя один из получаемых после распада фотонов на классическое электромагнитное поле. В данном случае используется магнитное поле: чем оно сильнее, тем охотнее будет происходить конверсия аксиона в фотон. Это и делается. Энергия фотона получается равной массе аксиона; если это 10^–5 эВ, то она соответствует радиочастоте сантиметрового диапазона. Для регистрации создается по возможности большой объем с магнитным полем, в нем резонаторы для радиоволн. Частота резонатора меняется со временем, и, как только она приблизится к массе аксиона, сигнал усилится: получится пик на определенной частоте.

— Где это делается?

— Уже по всему миру. Начали в Ливерморской национальной лаборатории (США), продолжили в разных местах. Эксперименты продолжаются десятилетиями, диапазон 10^–4–10^–5 эВ уже хорошо исследовали и поставили сильные ограничения.

— Ограничения на массу аксиона?

— Нет, на константу взаимодействия. Некоторые старые модели в этом интервале масс уже были бы закрыты, но у теоретиков всегда есть возможность что-то подправить в модели и вписаться в данные.

— А что происходит в этом здании, где происходит наш разговор, на первом этаже, имеющем отношение к данной теме?

— Там находится уникальная установка, известная по всему миру под названием Troitsk ν-mass, построенная еще в советское время под руководством Владимира Михайловича Лобашева для измерения массы нейтрино. На этой установке были получены лучшие в мире ограничения на массу левого активного нейтрино — 2 эВ, это близко к пределу для данной установки. Намного более крупную установку построили в Германии, она называется KATRIN: у нее значительно выше чувствительность, хотя, по сути, это просто увеличенная копия нашей установки, и Владимир Михайлович принимал активное участие в ее создании.

Корпус спектрометра установки KATRIN перевозится от пристани на Рейне, 2006 год

На KATRIN в данный момент получено ограничение сверху на массу нейтрино 0,8 эВ. Тем не менее наша установка жива, и на ней можно искать стерильные нейтрино, используя ту же методику. Те самые, про которые мы говорили в контексте темной материи. Здесь можно искать в интервале 1–10 кэВ, в данный момент мы поставили лучшие ограничения на параметры взаимодействия в интервале 1–2 кэВ, далее будем расширять этот диапазон.

Потом сюда подключится KATRIN — им сначала надо выполнить свою программу по поиску массы активных нейтрино, на которую выделялись деньги. Потом будут новые эксперименты, которые положат более жесткие ограничения — так это и происходит. WIMP-ы уже близки к закрытию, к тому, чтобы их совсем исключить. А аксионы и стерильные нейтрино всё еще в начале своего пути.

— WIMPы близки к закрытию по экспериментальным ограничениям или по отрицательным результатам в поиске суперсимметричных частиц на Большом адронном коллайдере?

— И то и другое.

— Ну, жалко!

— На самом деле мне не жалко, потому что WIMP-ы очень скучные. Суперсимметричные частицы очень скучные: их много, у каждого фермиона есть партнер-бозон, и наоборот, и не появляется никаких интересных наблюдаемых эффектов, кроме энергии отдачи. А физика аксионов очень богата. Если найдут аксионы, мы получим интереснейшие знания о ранней Вселенной.

Да, реликтовое микроволновое излучение дало нам колоссальную информацию о Вселенной и ее составе. Но мы не можем напрямую заглянуть в самые ранние стадии, используя лишь электромагнитное излучение: Вселенная в первые 300 тыс. лет непрозрачна. Она прозрачна для гравитационных волн, и если мы найдем аксионы, то получим еще один инструмент, благодаря которому узнаем много нового о самых ранних стадиях развития Вселенной; в частности, увидим отпечаток самой ранней эволюции галактик. А WIMP-ы такого не дают.

— Как я понял, если аксионы связаны с хромодинамикой, то это информация до первых микросекунд, когда они образовались.

— Да. Причем если есть аксионы, мы можем увидеть историю формирования галактики — некий линейчатый спектр в конверсии аксионов, говорящий о распределении скоростей. Кроме того, аксионы так устроены, что в некотором диапазоне масс из них образуются мини-кластеры — бозонные звезды.

— А чем они связаны?

— Гравитационно. Поскольку это очень легкие бозоны, получаются комки классического поля с массой 10^–13, 10^–14 масс Солнца с радиусом порядка 100 км.

— Примерно как астероиды.

— И они растут из-за гравитационной неустойчивости и, в зависимости от параметров, в какой-то момент времени просто взрываются, и вся эта масса мгновенно переходит в излучение. Похожий взрыв происходит, когда такая аксионная звезда пролетит вблизи нейтронной звезды с ее огромным магнитным полем. Если посмотреть на массу аксионной звезды, то энерговыделение будет ровно такое, как у недавно зарегистрированных быстрых радиовсплесков. И часто́ты у них как раз в области гигагерц, что соответствует ожидаемой массе аксиона; продолжительность — около миллисекунды. На сегодняшний день это, конечно, дикая спекуляция: всё трудней объяснить новые появляющиеся данные взрывом бозонных звезд, но факт в том, что астрофизика, связанная с аксионами, очень богата. В отличие от WIMP-ов.

Смотрите видеоверсию этого интервью на Youtube-канале нашей газеты:
youtube.com/watch?v=RbEzkWaq__k

См. также:

Представь Вселенную!

Расширенный
Базовый

Звезда представляет собой газовую сферу, удерживаемую собственной гравитацией. Ближайшая к Земле звезда — это наше собственное Солнце, поэтому поблизости есть пример, который астрономы могут детально изучить. Уроки, которые мы извлекаем о Солнце, можно применить к другим звездам.

Расскажите мне больше о Солнце

Жизнь звезды — это постоянная борьба с силой притяжения. Гравитация постоянно работает, пытаясь заставить звезду разрушиться. Однако ядро звезды очень горячее, что создает давление внутри газа. Это давление противодействует силе гравитации, приводя звезду в так называемое гидростатическое равновесие. Со звездой все в порядке, пока в ней существует равновесие между гравитацией, притягивающей звезду внутрь, и давлением, толкающим звезду наружу.

Диаграмма, показывающая жизненные циклы солнцеподобных и массивных звезд. Нажмите на изображение для увеличения. (Фото: НАСА и Night Sky Network)

В течение большей части жизни звезды внутреннее тепло и излучение обеспечиваются ядерными реакциями в ядре звезды. Эта фаза жизни звезды называется главной последовательностью.

Прежде чем звезда достигнет главной последовательности, звезда сжимается, а ее ядро еще недостаточно горячее или плотное, чтобы начать ядерные реакции. Таким образом, пока он не достигнет главной последовательности, гидростатическая поддержка обеспечивается за счет тепла, выделяемого при сжатии.

В какой-то момент в ядре звезды закончится материал для этих ядерных реакций. Когда у звезды заканчивается ядерное топливо, ее время на главной последовательности подходит к концу. Если звезда достаточно велика, она может пройти через ряд менее эффективных ядерных реакций, чтобы произвести внутреннее тепло. Однако в конце концов эти реакции больше не будут генерировать достаточно тепла, чтобы поддерживать звезду против ее собственной гравитации, и звезда разрушится.

Звездная эволюция

Звезда рождается, живет и умирает, как и все остальное в природе. Используя наблюдения за звездами на всех этапах их жизни, астрономы построили жизненный цикл, через который проходят все звезды. Судьба и жизнь звезды зависит в первую очередь от ее массы.

Снимок Хаббла туманности Орла, звездного питомника. (Фото: NASA/ESA/Hubble Heritage Team)

Все звезды начинают свою жизнь с коллапса вещества в гигантском молекулярном облаке. Эти облака формируются между звездами и состоят в основном из молекулярного газа и пыли. Турбулентность внутри облака вызывает образование узлов, которые затем могут разрушиться под действием собственного гравитационного притяжения. Когда узел разрушается, материал в центре начинает нагреваться. Это горячее ядро называется протозвездой, и в конечном итоге оно станет звездой.

Облако не схлопнется в одну большую звезду, но разные сгустки материи станут отдельными протозвездами. Вот почему эти облака вещества часто называют звездными рассадниками — это места, где формируется множество звезд.

По мере того, как протозвезда набирает массу, ее ядро становится все более горячим и плотным. В какой-то момент она станет достаточно горячей и достаточно плотной, чтобы водород начал превращаться в гелий. Для начала термоядерного синтеза в ядре должно быть 15 миллионов кельвинов. Когда протозвезда начинает синтезировать водород, она входит в фазу «главной последовательности» своей жизни.

Звезды главной последовательности — это те, в ядрах которых водород превращается в гелий. Излучение и тепло от этой реакции удерживают силу гравитации от коллапса звезды на этом этапе ее жизни. Это также самая длинная фаза жизни звезды. Наше Солнце проведет на главной последовательности около 10 миллиардов лет. Однако более массивная звезда использует свое топливо быстрее и может находиться на главной последовательности только миллионы лет.

В конце концов в ядре звезды заканчивается водород. Когда это происходит, звезда больше не может противостоять гравитации. Его внутренние слои начинают разрушаться, что сжимает ядро, повышая давление и температуру в ядре звезды. Пока ядро разрушается, внешние слои вещества звезды расширяются наружу. Звезда становится больше, чем когда-либо — в несколько сотен раз больше! В этот момент звезда называется красным гигантом.

Что будет дальше, зависит от массы звезды.

Судьба звезд среднего размера

Изображение планетарной туманности IC 418, также известной как туманность Спирограф, сделанное Хабблом. (Фото: NASA/Hubble Heritage Team)

Когда звезда среднего размера (примерно до 7-кратной массы Солнца) достигает фазы красного гиганта своей жизни, в ядре будет достаточно тепла и давления, чтобы вызвать плавление гелия. в углерод, давая ядру короткую передышку от коллапса.

Как только гелий в ядре закончится, звезда потеряет большую часть своей массы, сформировав облако вещества, называемое планетарной туманностью. Ядро звезды остынет и сожмется, оставив после себя маленький горячий шар, называемый белым карликом. Белый карлик не коллапсирует против гравитации из-за давления электронов, отталкивающих друг друга в его ядре.

Судьба массивных звезд

Красный гигант, масса которого более чем в 7 раз превышает массу Солнца, обречен на более захватывающий финал.

Рентгеновское изображение остатка сверхновой Кассиопеи A. Цвета показывают рентгеновские лучи разной длины, испускаемые веществом, выброшенным из центральной звезды. В центре нейтронная звезда. (Фото: NASA/CSC/SAO)

Эти звезды большой массы проходят некоторые из тех же этапов, что и звезды средней массы. Сначала внешние слои разбухают в гигантскую звезду, но еще больше, образуя красный сверхгигант. Далее ядро начинает сжиматься, становясь очень горячим и плотным. Затем в ядре начинается синтез гелия в углерод. Когда запас гелия иссякнет, ядро снова сожмется, но, поскольку ядро имеет большую массу, оно станет горячим и достаточно плотным, чтобы превратить углерод в неон. На самом деле, когда запас углерода израсходован, происходят другие реакции синтеза, пока ядро не заполнится атомами железа.

До этого момента термоядерные реакции выделяли энергию, позволяя звезде бороться с гравитацией. Однако плавление железа требует затрат энергии, а не производства избыточной энергии. С ядром, полным железа, звезда проиграет борьбу с гравитацией.

Температура ядра поднимается до более чем 100 миллиардов градусов, когда атомы железа сталкиваются друг с другом. Сила отталкивания между положительно заряженными ядрами преодолевает силу гравитации, и ядро отскакивает от сердца звезды во взрывной ударной волне. В одном из самых зрелищных событий во Вселенной ударная волна отбрасывает вещество от звезды в результате мощного взрыва, называемого сверхновой. Материал извергается в межзвездное пространство.

Около 75% массы звезды выбрасывается в космос в виде сверхновой. Судьба оставшегося ядра зависит от его массы. Если оставшееся ядро примерно в 1,4-5 раз больше массы нашего Солнца, оно сколлапсирует в нейтронную звезду. Если ядро больше, оно схлопнется в черную дыру. Чтобы превратиться в нейтронную звезду, звезда должна начать с массой от 7 до 20 масс Солнца до сверхновой. Только звезды, масса которых более чем в 20 раз превышает массу Солнца, станут черными дырами.

Обновлено: февраль 2014 г.

Дополнительные ссылки

Опросите меня по этой теме!
Классный факт на эту тему!
Попробуйте это!
Часто задаваемые вопросы о звездах
Дайте мне дополнительные ресурсы!

Для преподавателей

Стандарты NCTM и NSES
Буклет «Жизненные циклы звезд»
Покажите мне похожие планы уроков

Звездообразование, потушенное квазарами

Согласно новым исследованиям, галактика с квазаром в центре не самое подходящее место для взросления. По мере эволюции активных галактических ядер (АЯГ) они проходят через «квазарную фазу», когда аккреционный диск, окружающий центральную черную дыру, испускает интенсивное излучение в космос. Квазар намного затмевает всю родительскую галактику. После фазы квазара, когда вечеринка закончилась, энергии как будто не осталось и звездообразование прекратилось.

AGN — компактные, активные и яркие центральные ядра активных галактик. Интенсивная яркость этих активных галактических ядер создается гравитационным аккреционным диском горячего вещества, вращающимся и падающим в сверхмассивную черную дыру в центре. В течение жизни AGN комбинация черной дыры и аккреционного диска пройдет «квазарную фазу», когда перегретые газы, окружающие черную дыру, испускают интенсивное излучение. Обычно квазары образуются в молодых галактиках.

Хотя фаза квазара отличается высокой энергией и связана с формированием молодых галактик, согласно новым результатам Sloan Digital Sky Survey, она также знаменует собой конец любого дальнейшего рождения звезд в галактике. Эти результаты будут представлены сегодня (пятница, 4 апреля) на Национальном астрономическом собрании РАН в Белфасте, Северная Ирландия, Полом Вестоби, только что закончившим исследование 360 000 галактик в местной Вселенной. Он провел это исследование вместе с Кэрол Манделл и Иваном Болдри из Ливерпульского астрофизического исследовательского института Университета Джона Мурса, Великобритания. Это исследование было предложено, чтобы понять взаимосвязь между аккрецирующими черными дырами, рождением звезд в ядрах галактик и эволюцией галактик в целом. Результаты удивительно детализированы.

При анализе стольких галактик получается довольно подробная картина. Основной результат, который следует из этого, показывает, что, поскольку в молодом галактическом ядре преобладает высокоэнергетический квазар, звездообразование прекращается. После этой фазы жизни галактики звездообразование невозможно; остальные звезды оставлены развиваться сами по себе.

Считается, что все АЯГ проходят фазу квазара в своей ранней галактической жизни. Также считается, что в большинстве массивных галактик внутри их галактических ядер пассивно прячется сверхмассивная черная дыра, уже прошедшая фазу квазара. Уэстоби отмечает, что некоторые спящие сверхмассивные черные дыры могут «перезажечься» во вторичную фазу квазара, но механизмы, лежащие в основе этого, весьма туманны.

» Звездный свет родительской галактики может многое рассказать нам о том, как развивалась галактика […] Галактики можно сгруппировать в две простые цветовые группы: синяя последовательность, молодые, очаги звездообразования и красная последовательность, массивная, холодная и пассивно развивающаяся. ». — Пол Вестоби.

Обнаружена внезапная точка прекращения звездообразования, и это происходит сразу после фазы квазара. После фазы квазара АЯГ переходит в более спокойное состояние, звездообразование не происходит, и постепенная эволюция звезд переходит в «красную последовательность» звездной эволюции.

Другие результаты включают указание на то, что независимо от размера галактики важна форма галактической «выпуклости».

Что образуется на месте погасшей звезды: черные дыры и не только – Статьи на сайте Четыре глаза